Brühgruppe

Brühgruppe

Die Brühgruppe ist das eigentliche Herzstück einer Espressomaschine. Sie ist der Übergang vom Kessel zum Kaffeepulver. Bei Einkreismaschinen und Dualboilermaschinen besteht sie meist nur aus einem Steigrohr im Kessel, dem Magnetventil und dem Brühkopf samt Dusche. Bei Zweikreismaschinen ist die Brühgruppe die Einheit aus Wärmetauscher, Ventil und Brühkopf. An einem Kessel können mehrere Brühgruppen angebracht sein.

Man unterscheidet weiterhin zwischen den Arten der Erzeugung des Brühdrucks:
Seit Faemas legendärer E61 besitzen fast alle üblichen Maschinen eine zentrale Pumpe, die den zum Brühen von Espresso erforderlichen Druck erzeugt. Dies ist bei einfachen Maschinen mit geringem Durchfluss üblicherweise eine Vibrationspumpe, höherwertige Maschinen sind meistens mit Rotationspumpen und einem Festwasseranschluss ausgestattet. Bei Handhebelmaschinen gehört zu jeder Gruppe ein Hebel, der entweder direkt oder mit Unterstützung durch eine Feder das Brühwasser mittels eines Kolbens durch das Kaffeemehl drückt. Hydraulische Brühgruppen beeinhalten stattdessen einen Zylinder, der den Leitungsdruck zum Aufbringen des Brühdrucks nutzt - diese Bauweise ist aber nur noch vereinzelt anzutreffen, während sich die Handhebelmaschinen momentan wieder wachsender Beliebtheit erfreuen.

Die Konstruktion der Brühgruppe ist sozusagen das "Geheimnis" einer jeden Espressomaschine, hier wird der größte konstruktive Aufwand getrieben. Die Brühgruppe hat die Aufgabe, Wasser einer möglichst gleichbleibenden Temperatur aus dem Kessel zum Kaffeepulver zu transportieren und möglichst gleichmäßig darüber zu verteilen. Eine gute Brühgruppe wird weder bei Dauerbetrieb noch bei Stillstand zu heiß oder zu kalt. Dazu wird der Brühkopf geheizt, wahlweise durch einen Kesselflansch, ein Thermosiphon oder eine elektrische Heizung. In der Praxis lässt sich aber beobachten, das die meisten Brühgruppen entweder für Dauerbetrieb oder für Gelegenheitsbetrieb optimiert sind. Da das Wasser, welches aus dem Kessel oder dem Wärmetauscher kommt, in der Regel zu heiß für den Kaffee ist, sind viele Brühgruppen so gebaut, dass sie es abkühlen können. Bei Gruppen mit Thermosyphon dient dazu die Rohrleitung, die zum Brühkopf führt. Auch andere Gruppen besitzen hier ein langezogenes Rohr. Dadurch kann man den Kesseldruck bei gleicher Brühwassertemperatur höher wählen, um zum Beispiel mehr Dampf zum Milchaufschäumen zur Verfügung zu haben. Außerdem werden massive Brühköpfe verbaut, die durch ihre Masse an Metall Schwankungen der Wassertemperatur ausgleichen können. Sie bestehen vor allem bei gastronomischen Espressomaschinen meist aus mehreren Kilogramm Messing. Die Brühgruppe enthält auch oft Konstruktionen zur Preinfusion, etwa eine Düse, eine luftgefüllte Kammer, die den Druckaubau verlangsamt oder wie die E61 auch eine Art Expansionsventil mit begrenztem Ablaufvolumen, das für eine gewisse Zeit den Druckaufbaut stark begrenzt. Der letzte Teil einer jeden Brühgruppe ist der Wasserverteiler samt Duschsieb. Der Verteiler ist meist eine Metallplatte mit mehreren Bohrungen, die das Wasser, das aus der Brühkopfleitung kommt, zu den Seiten hin verteilt um es gleichmäßig über das Duschsieb und das Kaffeepulver zu verteilen. Dieses soll beim Brühen so gleichmäßig wie möglich durchströmt werden.

Die meisten Brühgruppen die heute verwendet werden, sind patentiert und werden nur von einem oder zwei Herstellern verwendet, die Faema E61 ist jedoch seit mehreren Jahrzehnten nicht mehr geschützt und wird von vielen Herstellern, vor allem im Haushaltsbereich verbaut. Sie übernehmen dabei aber nur den originalen Brühkopf mit den hebelgesteuerten Ventilen, die Wärmetauscher sind von der Größe her den haushaltsüblichen Bezugsraten angepasst.

Moderne Brühgruppenkonstruktionen

Ein Konstruktionsziel moderner Brühgruppenkonstruktionen ist hohe Temperaturstabilität unabhängig von Benutzung oder Stillstand. Dieses Ziel kann nur mit einem geringem Offset, also einer geringe Temperaturdifferenz zwischen Brühkopf und Brühwasser erreicht werden. Dabei gibt es mehrere Herausforderungen:

• Die Brühgruppe und auch der Brühkopf geben Wärme an die Umgebung ab, sie müssen also mit einer Temperatur größer Brühtemperatur beheizt werden
• Die Zuführung des Brühwassers muss gesteuert werden, z.B. über ein außenliegendes Magnetventil

Bei fast allen modernen Gruppen wird ein eigener Brühboiler verwendet, der immer unterhalb der Siedetemperatur bleibt und deshalb vollständig mit Wasser gefüllt sein kein.

Anmerkungen:

• Hier werden verschiedene Konstruktionen und ihre Vor- und Nachteile betrachtet. Ob sich daraus Vorteile für den einen oder anderen Anwendungsfall ergeben, steht auf einem anderen Blatt.
• Die Erbauer der neuen Konstruktionen kannten ihre Vorgänger und deren Schwachstellen sehr gut. Kees van den Westen (KvdW), Mark Barnett (Treuh/Synesso) , Dan Urwiler und Eric Perkunder (Treuh/Synesso und Slayer) arbeiteten für LM, Bruno Dala Corte arbeitete für "La Spatiale". Sie haben jeweils versucht, Verbesserungen zu bisherigen Maschinen herbeizuführen.
• Der Aufwand für die Temperaturkontrolle trieb auch den appartiven Aufwand nach oben, was Einfluß auf Wartungsintervalle und Verfügbarkeit hat.

ab 1970: La Marzocco GS Brühgruppe (grupo saturo)

Von der Firma La Marzocco wurde der Begriff "saturated brew group" geprägt, der auf ihrer deutschen Webseite mit "gesättigte Brügruppe" übersetzt ist. http://www.lamarzocco.com/index.php?lang=de&Itemid=522 Weiterhin wird im deutschen auch "saturierte Brühgruppe" verwendet.

Brühgruppe und Brühkessel bilden eine Einheit, dabei ist die Brühgruppe zugleich die höchste und wärmste Stelle des Kessels.

Das Brühwasser wird über eine dünne Leitung im mittleren Teil des Kessels abgenommen, die Leitung wird nach außen geführt, von einem außenliegenden Magnetventil gesteuert und geht wieder in den Brühkopf bis direkt über der Dusche (Banjo tube).

Es entsteht ein geringer Offset zwischen Brühkopf und Brühwasserentnahme und eine weitere geringe Abkühlung durch das außenliegende Magnetventil.

Als Offset werden an verschiedenen Stellen 2°F oder 2°C genannt. LM misst den Offset bei Auslieferung und stellt die Anzeigeelektronik entsprechend ein, so dass der Offset bei der Anzeige der Brühtemperatur berücksichtigt wird.

Aufgeschnittene Marzocco Brühgruppe

Eine spätere Verbesserung ist das sogenannte "Piero Cap". Das Magnetventil sitzt direkt auf dem Brühgruppenkopf, die Brühwasserentnahme erfolgt direkt an der höchsten und wärmsten Stelle.

ab 1993 Kees van der Westen (KvdW)

Schematic Speedster Hydraulics

Folgende Eigenheiten fallen auf:

• Beheizung des Brühboilers über einen HX
• Die Verbindung von Brühboiler und Brühkopf ist so ausgeführt, dass der höchste Punkt des Boilers diese Verbindung ist. Sie ist nach oben geneigt und führt alle evtl. Luftblasen sicher zum höchsten Punkt der Brühgruppe, wo Boiler und Gruppe gemeinsam vollständig entlüftet werden können.
• Entnahme des Brühwassers am höchsten Punkt des Brühkopfes, evtl. um einen unvermeidlichen Enegrieverlust am Magnetventil auszugleichen.

Bilder der KvdW von Slayer Espresso

ab 2001: Dalla Corte

Oberteil der Dalla Corte Brühgruppe

Unterteil der Dalla Corte Brühgruppe

Schema Dalla Corte Brühgruppe

Dalla Corte hat Brühgruppe und Brühwasserkessel in einem ca, 8kg schweren Einheit zusammengefasst. Diese Gruppe wird in den Minis und in den Gastromaschinen verbaut. Dabei ist der Brühkopf an der Unterseite der Konstruktion angebracht, also an der Stelle der geringsten Temperatur.

Das Brühwasser wird unten neben der Heizwendel entnommen und über das an der Brühgruppe sitzende von ihr miterwärmte Magnetventil über eine unten der Gruppe geführte Leitung in den Brühkopf gegeben. Der Druck erfolgt wie üblich über die Pumpe und den Kaltwasserzulauf der Gruppe. Eine Düse im Kaltwasserzulauf sorgt für einen sanften Druckaufbau. Der Einlass des Kaltwassers liegt etwa mittig oben, so dass das kalte Wasser direkt in die Heizwendel fällt.

Auf einen PID-Regler wurde zugunsten voller Heizleistung verzichtet. Die Hysterese beträgt ca. +/- 2°C an der Messstelle oben im Kessel. Das schwere Kesselunterteil nivelliert die Temperaturschwankungen im unteren Teil Brühgruppe, durch die das Brühwasser auf dem Weg zwischen Kessel, Magnetventil und Dusche geleitet wird. Die Erwärmung des Kaltwasserpropfens dauert bei 70°C Temperaturdifferenz Tank/Boiler ca. 6s (20g Kaltwasser für einfachen Bezug) bzw. ca. 12s (40g Kaltwasser für doppelten Bezug).

Durch den Brühkopf an der tiefster Stelle ergibt sich ein kleiner Offset von ca. 3°C.

Vorteile gegenüber LM:

• Jede Gruppe ist einzeln regelbar
• Der strömungstechnisch unklare Schwanenhals wird vermieden
• Geringere Bauteilzahl und dadurch einfacher
• Die Dichtung auf der Zylinderfläche (Schwanenhals auf Boiler) wir vermieden

Nachteile gegenüber LM:

• höherer Offset da Brühgruppe an der kältesten Stelle

Besonderheiten:
Die nominelle Siebdurchmesser der Gruppe ist 54,4, tatsächlich haben die DC-Siebe aber 55mm im Innendurchmesser. Die Fläche der DC-Siebe ist gut 10% kleiner, als die Siebe einer E61-Gruppe mit Siebdurchmesser 58,5mm.

Dalla Corte Schematics, siehe Seite 9

ab 2008: Slayer Espresso

Die Brühgruppe der Slayer versucht durch folgende Maßnahmen nochmals temperaturausgewogener als ihre Vorgänger zu sein:

1. Es gibt einen weiteren Vorbrühboiler, der das Kaltwasser auf 83 Grad erwärmt. Er speist die Brühboiler.
2. Die Brühboiler sind je Gruppe einzeln, haben nur 1,3 Liter Inhalt und ein 600W Heizelement.
3. Das Magnetventil sitzt am Vorbrühboiler. Dadurch kann die Verbindungsleitungen zwischen Brühboiler und Einlauf ins Duschsieb entfallen und insbesondere das Magnetventil, dass dem Brühwasser Energie entziehen kann.
4. die Verbindung zwischen Brühboiler und Brühkopf mit Paddel ist ein breiter aber eher schmaler Kanal.
5. der Temperaturfühler der PID sitzt nicht im Brühboiler, sondern im Brühkopf direkt neben dem Schaftventil.
6. Die PI läuft über einen per Magnetventil geschalteten Bypass mit Nadelventil, der zwischen Vorbrühboiler und Brühboiler liegt.
7. Die Brühboiler bekommen erst dann den max. Brühdruck, wenn die Rota Pumpe schaltet und der Pumpendruck mit 10 bar direkt auf den Brühboiler fährt.
   1. Die Brühphase wird durch das Schaftventil gesteuert. Durch seine Lage mitten im Brühboiler hat es Brühtemperatur.
   2. Eine eine 0,7mm Düse unmittelbar vor dem Schaftventil sorgt für einen sanften Aufbau des Brühdrucks

Zur Erklärung: Der Pumpendruck liegt im Vorbrühboiler mit 83°C an, dieser Druck geht über eine Edelstahlleitung zum Brühboiler oder über einen Bypass (Magnetventilgesteuert) über das Nadelventil und dann in den Brühboiler (Pre-Brew Phase)

Die sehr exakte Temperatur der SLAYER saturierten Gruppe kommt durch das Zuführen von vorgewärmten Wasser mit exakt definierter Temperatur (extra PID Steuerung für Vorbrühboiler - hier 83°C) und nicht durch einen HX wie z.B KfdW.

Bei LM kommt ja noch erschwerend dazu, das alle saturierten Gruppen an einem Brühboiler hängen, der einen recht großen Heizstab hat. Dadurch ergeben sich bei mehrgruppigen Maschinen nicht genau vorher bestimmbare Temperaturschichtungen.

Bei SLAYER ist jede saturierte Gruppe durch ihren eigenenen kleinen Brühboiler vollkommen autark. Das einzige was alle Brühboiler gemeinsam haben, ist das ihnen aus einem großen Vorbrühboiler zugeführte vorgewärmte Wasser.

Jeder autarke Brühboiler der SLAYER hat einen verhältnissmäßig kleinen Heizstab mit nur 600 Watt Leistung, somit muss dieser nur sehr wenig Temperatur erzeugen um z.B auf 93°C gewünschte Auslauftemperatur zu kommen (in diesem Fall eine Erhöhung von 10°C ).

Hat der kleine 1,3 Liter fassende Brühboiler einmal seine vorher gesetzte Temperatur erreicht, taktet der PID immer nur einige Sekunden (auch bei starker Benutzung der Brühgruppe). Diese kurze Aufheizphasen erzeugen wohl nur eine geringe Temperaturschichtung im Brühboiler.

Natürlich hängt das alles von einem gut eingestellten PID ab, aber im Fall der SLAYER saturierten Brühgruppe sind viele Parameter genau definiert ( z.B das zulaufende Vorbrühboilerwasser mit immer genau 83°C ) und dadurch wohl recht einfach zu erreichen. Das Schaftventil welches das Wasser auslaufen lässt, sitzt mittig. Der Durchfluss wird durch ein 0,7 Düse ( im Zulauf zum Ventil) begrenzt.

Diese Konstruktion bietet eine Lösung für folgende Problemstellen.

• Jede Gruppe hat einen eigenen Brühboiler integriert
• Beeinflussbare PI durch das Nadelventil zwischen Vorbrühboiler und Brühboiler.
• Die Zuführung des Brühwassers mit Brühtemperatur läuft nicht mehr über ein außenliegendes Magnetventil, sondern über das mitgeheizte, mittig im Brühboiler befindliche Schaftventil
• Entnahmepunkt des Brühwassers, Temperaturmesspunkt und Einlauf in den Brühkopf liegen unmittelbar nebeneinander und sind direkt miteinander verbunden, der Offset ist also konstruktiv praktisch Null unabhängig vom Benutzung oder Stillstand.

Thermisch stabile Konstruktionen bei Zweikreisern

Mit wenigem Ausnahmen sind Zweikreiser so konstruiert, dass ohne laufende Bezüge das Wasser im Wärmetauscher überhitzt und vorm Bezug als cooling flush abgelassen werden muss.

Aber auch Zweikreiser lassen sich so konstruieren, dass Brühkopf und einströmendes Brühwasser auch nach Stillstand annähernd die gleiche Temperatur haben.

Z.B. UNIC DIVA:
Um bei einem Zweikreise Brühgruppe und Brühwasser auf gleicher Temperatur zu halten, muss man der Gruppe mehr Energie zuführen als dem HX.

UNIC macht es so, dass der HX eine höhere Temperatur als die gewünschte Brühtemperatur hat, nehmen wir mal +3 °C. Die Gruppe wird über den HX geheizt. Der Verlust durch Abstrahlung an der Gruppe ergibt dann im idelaen Falle gerade die gewünschte Brühtemperatur. HX und Gruppe sind so aufeinander abgestimmt, so dass auch bei Nichtbenutzung das Wasser im HX nicht weiter erhitzt, als im Beispiel genannten 3°C.

Bei der UNIC endet der HX unmittelbar vor der Brühgruppe. Beim Bezug mischt sicht das in den HX einströmende Frischwasser direkt vor der Gruppe mit dem zu warmen HX Wasser so das sich wieder die gewünschte Brühtemperatur ergibt.

Und das gesättigte System hat auch Nachteile. Will man schnell mal einen Kaffee etwas wärmer oder kälter beziehen muss man immer erst warten bis sich das gesamte System auf der richtigen Temperatur eingependelt hat.

Handhebelbrühgruppen

Die werden hier behandelt